물 2kg을 14.5℃에서 15.5℃로 높이는데 필요한 열량은 얼마인가?
- 1 Kcal
- 2 Kcal
- 0.5 Kcal
- 1.5 Kcal
정답과 해설 보기
정답 ② · 물의 비열을 이용하여 필요한 열량을 계산하는 문제이다. 열량 공식은 Q = m × c × Δt이고, 물의 비열 c는 1kcal/kg·℃이다.
물의 비열은 1kcal/kg·℃이므로 질량×온도차이로 열량을 계산한다.
개념 한 쪽
건축설비산업기사 열역학의 기본법칙 — 열량·엔탈피·열전달 방식
열역학의 기본법칙은 에너지 보존과 열에너지의 전달 방식, 물질의 비열과 엔탈피 계산에 관련된 기초 지식을 다룬다. 건물의 냉난방 및 공기조화 설계에서 열량 계산과 열전달 방식 구분이 자주 출제되므로 핵심 공식을 숙지해야 한다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「열역학의 기본법칙」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 물의 열량 계산 | 1 | 물의 질량과 온도차로 필요한 열량을 구하는 방법을 묻는다 |
| 흡수냉동기 냉매 구별 | 1 | H2O-LiBr 계통에서 냉매와 흡수제를 구별하도록 묻는다 |
| 습공기 엔탈피 계산 | 1 | 주어진 건구온도와 절대습도로 습공기 전체 엔탈피를 계산하도록 묻는다 |
뜻
열량은 물질의 질량, 비열, 온도변화의 곱으로 계산한다. 대표 공식은 Q = m × c × Δt이며, 물의 비열은 1kcal/kg·℃를 기본값으로 사용한다. 문제에서 질량과 온도차를 정확히 파악하여 대입하면 열량을 구할 수 있다.
공기나 유량을 대상으로 한 가열량 계산은 공기의 밀도, 체적유량, 공기 비열, 온도차를 이용한다. 시간 단위가 포함된 유량을 사용할 때는 단위 환산을 반드시 고려한다. 예컨대 m³/h 단위를 초당 단위(W)로 바꿀 때는 3,600으로 나누어 kJ/h를 W로 환산한다.
습공기 엔탈피는 건공기의 열량과 수증기의 증발열 성분을 더한 값으로 정의한다. 공식은 i = 0.24 t + (597 + 0.45 t) x로, t는 건구온도(℃), x는 절대습도(kg/kg')이다. 이 식에 온도와 절대습도를 대입하면 1kg당 엔탈피를 얻고, 전체 질량을 곱해 총 엔탈피를 구한다.
열전달은 전도, 대류, 복사의 세 가지 방식으로 나뉜다. 전도는 물체 내부에서 온도차에 의해 직접 전달되는 현상이고, 대류는 유체의 흐름에 의해 열이 운반되는 현상이며, 복사는 전자파 형태로 매개체 없이 열이 전달되는 현상이다. 각 방식의 키워드를 구분하면 문제 해결이 수월하다.
흡수냉동기 등의 사이클에서는 냉매와 흡수제를 구분해야 한다. 예를 들어 H2O-LiBr 시스템에서 냉매는 물(H2O)이고 LiBr은 흡수제이다. 또한 냉동기(COPC)와 히트펌프(COPH)의 성적계수 관계는 에너지 수지로 이해할 수 있으며, COPH = COPC + 1 관계가 성립한다.
예제
물 2kg의 온도를 14.5℃에서 15.5℃로 올리는 문제는 비열 1kcal/kg·℃를 사용해 Q = m × c × Δt = 2 × 1 × 1 = 2 kcal로 계산한다. 단위와 온도차를 정확히 확인하면 결과를 바로 얻을 수 있다.
습공기 10kg의 엔탈피 계산 예는 식 i = 0.24 t + (597 + 0.45 t) x에 t=20℃, x=0.01을 대입해 kg당 10.86 kcal을 얻고, 총 질량 10kg을 곱해 108.6 kcal를 구한다. 각 항의 계산과 전체 질량 곱셈을 빠뜨리지 말아야 한다.
공기 1,000 m³/h를 10℃에서 28℃로 가열하는 예시는 Q(kW) = ρ × V(m³/h) × Cp(kJ/kg·K) × ΔT / 3,600 공식을 사용한다. 밀도 1.2 kg/m³, Cp 1.01 kJ/kg·K, ΔT 18℃를 대입하면 1.2×1,000×1.01×18/3,600 ≈ 6.06 kW가 된다. 단위 변환(시간 단위)을 반드시 수행해야 한다.
대표 기출 3문항
흡수냉동기에서 H2O-LiBr을 동작물질로 사용할 때 냉매는?
- H2O
- LiBr
- H2O-LiBr
- CF3
정답과 해설 보기
정답 ① · 흡수냉동기의 냉매를 묻는 문제이다. H2O-LiBr 흡수냉동기에서 증발기에서 증발하며 냉각 효과를 내는 냉매는 물(H2O)이고, LiBr은 냉매 증기를 흡수하는 흡수제 역할을 한다.
H2O-LiBr 흡수냉동기에서 증발하며 냉매 역할을 하는 것은 물(H2O)이며 리튬브로민은 흡수제다.
건구온도 20℃, 절대습도 0.01kg/kg'인 습공기 10kg의 엔탈피는?
- 48.0 kcal
- 60.0 kcal
- 88.0 kcal
- 108.6 kcal
정답과 해설 보기
정답 ④ · 습공기의 엔탈피(i)는 건구온도(t)와 절대습도(x)를 이용하여 i = 0.24t + (597 + 0.45t)x 공식으로 계산합니다. 주어진 값을 대입하면 i = 0.24(20) + (597 + 0.45(20))(0.01) = 4.8 + 6.06 = 10.86 kcal/kg' 입니다.
습공기 엔탈피 공식 i=0.24t+(597+0.45t)x에 온도와 절대습도를 대입해 kg당 엔탈피를 구한 후 전체 질량 10kg을 곱하면 정답이 된다.
자주 묻는 물음
- 물의 비열을 모를 때는 어떻게 하나?
- 물의 비열은 열량 문제의 기본 계수로 1kcal/kg·℃를 사용한다. 질량과 온도차를 곱하면 열량이 나오므로 먼저 비열이 1임을 확인하고 계산 절차를 진행한다.
- 습공기 엔탈피를 구할 때 절대습도와 전체 질량의 관계는?
- 엔탈피 식 i = 0.24 t + (597 + 0.45 t) x는 1kg당 값을 구하므로, 전체 엔탈피를 구하려면 구한 kg당 엔탈피에 총 질량을 곱해야 한다. 절대습도 x는 kg/kg' 단위로 대입한다.
- 열전달 방식 문제에서 복사와 전도를 헷갈리면 어떻게 판별하나?
- 복사는 전자파 형태로 매개체 없이 전달되는 것이므로 적외선이나 진공에서의 전달이 언급되면 복사로 판별한다. 전도는 물체 내부의 직접 전달을 의미하므로 접촉과 온도차 표현이 있으면 전도로 본다.
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